Sci Adv | 多巴胺如何撥動時間？華東師大揭秘行為計時新機制

文章信息

Title:A behavioral integration mechanism underlies action timing

發表時間：2026.1.2

Journal:Science Advances

影響因子：12.5

Science Advances 2026 paper

引言

當我們等待微波爐的叮當聲或紅綠燈的切換時，你是否發現自己會不自覺地抖動手指、輕點足尖，甚至在心里默數？長期以來，科學家們一直在爭論：這些看似多余的重復性動作，究竟只是為了“打發時間”（killing time），還是它們本身就是大腦用來“追蹤時間”（tracking time）的精密齒輪 ？

研究背景

動作是時間的“伴隨品”還是“創造者”？

在傳統的認知神經科學中，大腦被認為擁有一個獨立的“內部時鐘”。雖然動物在進行計時任務時常常表現出刻板的行為模式，但這些行為往往被視為附帶的副產品 。研究者們面臨的核心難題在于：如何區分大腦是在編碼“純粹的時間”，還是在編碼伴隨時間而生的“行為” ？

以往的研究發現，多巴胺和基底神經元等運動相關回路與計時密切相關，但它們究竟是直接調控時間感知，還是通過調控動作間接影響計時，一直缺乏因果證據 。

研究總結

2026年1月，來自華東師范大學和索爾克生物研究所（The Salk Institute）等機構在 Science Advances 上發表研究，揭示了間隔計時的“行為整合機制” 。核心發現如下：

動作的雙向調控：研究人員通過光遺傳技術精準操縱小鼠在計時過程中的刻板動作。抑制腦干（LPGi）神經元減少動作會導致計時終點顯著延后；而刺激運動丘腦（VL）增加動作則會使計時提前 。

多巴胺的新角色：研究發現，黑質多巴胺動態主要編碼運動而非直接編碼計時 。多巴胺只有在成功改變小鼠的等待期動作時，才會引起計時的偏差 。

行為起搏器模型：團隊構建了一個計算模型，提出動作本身充當了內部時鐘的“起搏器（Pacemaker）” 。大腦通過累加自身發出的運動脈沖（如杠桿按壓次數）來感知時間的流逝。

研究意義

該研究挑戰了“非運動專用計時器”的傳統觀點，證明了個體的運動行為是時間感知的核心驅動力 。這一發現不僅闡明了為什么帕金森病等運動障礙患者常伴有計時功能紊亂，也為理解人類如何通過節奏性動作（如 counting 或 tapping）來提高計時精度提供了深刻的機制解釋 。

核心圖片

Fig. 1

Fig. 1. Mice learned a peak procedure in which stop time serves as a reliable metric for action timing at the single-trial level. Fig1展示了小鼠在“峰值程序”（peak procedure）任務中的表現，旨在尋找衡量計時行為最可靠的指標。研究發現，雖然小鼠按壓杠桿的起始時間波動很大，但停止時間（Stop Time）在單回合實驗中表現出極高的穩定性。通過對 n=42只小鼠的分析，圖表揭示了停止時間與按壓總數、序列時長之間存在穩健的統計關系，從而確立了以“停止時間”作為衡量內部時鐘偏移的核心變量

Fig. 2.

Fig. 2. Inhibition of collateral actions through optogenetic stimulation of brainstem LGPi delays stop timing. 研究者通過光遺傳技術刺激腦干側位旁巨細胞網狀核（LPGi）的 GABA 神經元，旨在觀察單純抑制運動是否會干擾計時 。結果顯示，在計時過程中短暫抑制小鼠的動作會導致其停止時間顯著延后，且延后的程度與按壓減少的數量呈線性相關 。這一發現有力地支持了“動作是計時的起搏器”這一假設，即動作被暫停了，內部時鐘也隨之“變慢”了

Fig. 3

Fig. 3. Striatal dopamine dynamics reflect motor behavior but not action timing. 利用纖維光度法（fiber photometry）和多巴胺傳感器，研究者監測了紋狀體在計時過程中的多巴胺水平 。結果顯示，多巴胺濃度的變化與小鼠按壓杠桿的速率高度相關，但并未出現預想中指向 30 秒目標的“爬升”或“跌落”模式 。這表明黑質紋狀體多巴胺系統更多地是在編碼當前的運動活躍度，而非直接充當內部時鐘的倒計時器

Fig. 4

Fig. 4. Nigrostriatal dopamine alters action timing only when collateral actions are transiently disrupted. 通過光遺傳學手段操縱黑質致密部（SNc）的多巴胺神經元，進一步驗證多巴胺與計時的關系 。實驗發現，只有在高強度刺激導致動作頻率發生改變時，小鼠的計時才會發生偏移；而在低強度刺激下，盡管多巴胺釋放增加，但只要動作未受影響，計時就不會改變 。這證明了多巴胺是通過調控行為序列來間接影響間隔計時的

Fig. 5

Fig. 5. Optogenetic stimulation of SNc dopamine neurons alters action timing in correlation with the regulation of collateral actions. 為了深入研究動作與時間的定量關系，研究者在實驗的早期（0.5s）和晚期（18.5s）分別給予長時程的多巴胺刺激 。結果進一步確認，由于早期刺激對后續動作的影響較小，因此對停止時間幾乎沒有影響；而晚期刺激顯著抑制了動作并導致了計時延后 。通過回歸分析，本圖再次強調了動作減少量與計時延遲量之間的定量對應關系

Fig. 6

Fig. 6. A pacemaker-accumulator model using actions as pulses recapitulate the action timing behavior. 研究者構建了一個“起搏器-累加器”計算模型，將每一次動作（如按壓）視為一個脈沖 。該模型不僅成功復現了前述實驗中抑制動作導致的計時延遲，還預測了增加動作會導致計時提前 。模型的結果高度模擬了真實生物體的行為分布和變異系數，為“行為整合機制”提供了嚴謹的數學理論支持

Fig. 7

Fig. 7. Increasing collateral actions through optogenetic stimulation of VL thalamus advances stop timing. 作為對抑制實驗的互補，本圖展示了刺激運動丘腦（VL）對計時的影響 。實驗證實，通過光遺傳手段增加小鼠在等待期的動作頻率，會使其停止時間顯著提前 。這一結果完整了因果鏈條：動作減少則計時變慢，動作增加則計時變快，最終確證了動作本身即是內部時鐘的起搏脈沖